Inovação, popularização e aplicação da tecnologia de produção de energia de hidrogênio – um estudo de caso da Ally Hi-Tech
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Nota do editor: Este é um artigo publicado originalmente pela conta oficial do Wechat: China Thinktank
Em 23 de março, a Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma e a Administração Nacional de Energia da China emitiram conjuntamente o plano de médio e longo prazo para o desenvolvimento da indústria de energia do hidrogénio (2021-2035) (doravante denominado plano), que definiu a energia atributo do hidrogénio e propôs que a energia do hidrogénio seja parte integrante do futuro sistema energético nacional e a direção chave de novas indústrias estratégicas.O veículo com célula de combustível é o principal campo de aplicação da energia do hidrogênio e o avanço do desenvolvimento industrial na China.
Em 2021, impulsionado pela política nacional de demonstração e aplicação de veículos com células de combustível, as cinco aglomerações urbanas de Pequim, Tianjin, Hebei, Xangai, Guangdong, Hebei e Henan foram lançadas sucessivamente, a demonstração e aplicação em grande escala de 10.000 veículos com células de combustível começou a ser lançado, e o desenvolvimento da indústria de energia de hidrogénio impulsionado pela demonstração e aplicação de veículos com células de combustível foi colocado em prática.
Ao mesmo tempo, também foram feitos avanços na aplicação e exploração da energia do hidrogénio em domínios não relacionados com os transportes, como o aço, a indústria química e a construção.No futuro, as aplicações diversificadas e multicenárias da energia do hidrogénio trarão uma grande procura de hidrogénio.De acordo com a previsão da China Hydrogen Energy Alliance, até 2030, a procura de hidrogénio da China atingirá 35 milhões de toneladas e a energia do hidrogénio representará pelo menos 5% do sistema energético terminal da China;Até 2050, a procura de hidrogénio será próxima de 60 milhões de toneladas, a energia do hidrogénio representa mais de 10% do sistema energético terminal da China e o valor da produção anual da cadeia industrial atingirá 12 biliões de yuans.
Do ponto de vista do desenvolvimento industrial, a indústria chinesa de energia de hidrogénio ainda está na fase inicial de desenvolvimento.No processo de aplicação, demonstração e promoção da energia do hidrogénio, o fornecimento insuficiente e o elevado custo do hidrogénio para energia sempre foram um problema difícil que restringe o desenvolvimento da indústria energética do hidrogénio na China.Como elo central do fornecimento de hidrogénio, os problemas do elevado preço à saída da fábrica e dos elevados custos de armazenamento e transporte do hidrogénio para veículos ainda são proeminentes.
Portanto, a China precisa urgentemente acelerar a inovação, popularização e aplicação da tecnologia de produção de hidrogénio de baixo custo, melhorar a economia da aplicação de demonstração, reduzindo o custo do fornecimento de energia de hidrogénio, apoiar a aplicação de demonstração em larga escala de veículos com células de combustível, e em seguida, impulsionar o desenvolvimento de toda a indústria de energia do hidrogénio.
O alto preço do hidrogênio é um problema proeminente no desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio da China
A China é um grande país produtor de hidrogênio.A produção de hidrogênio é distribuída nas indústrias petroquímica, química, de coque e outras.A maior parte do hidrogênio produzido é utilizada como produtos intermediários para refino de petróleo, amônia sintética, metanol e outros produtos químicos.De acordo com as estatísticas da China Hydrogen Energy Alliance, a produção atual de hidrogénio na China é de cerca de 33 milhões de toneladas, principalmente a partir de carvão, gás natural e outras energias fósseis e purificação de gás subproduto industrial.Entre eles, a produção de hidrogênio a partir do carvão é de 21,34 milhões de toneladas, representando 63,5%.Seguido pela produção de subproduto industrial de hidrogênio e hidrogênio de gás natural, com produção de 7,08 milhões de toneladas e 4,6 milhões de toneladas, respectivamente.A produção de hidrogênio por eletrólise da água é relativamente pequena, cerca de 500.000 toneladas.
Embora o processo de produção de hidrogénio industrial esteja maduro, a cadeia industrial esteja completa e a aquisição seja relativamente conveniente, o fornecimento de hidrogénio energético ainda enfrenta grandes desafios.O custo mais elevado da matéria-prima e o custo de transporte da produção de hidrogénio levam ao preço de fornecimento terminal mais elevado do hidrogénio.A fim de realizar a popularização e aplicação em larga escala da tecnologia de energia do hidrogênio, a chave é romper o gargalo do alto custo de aquisição do hidrogênio e do custo de transporte.Entre os métodos de produção de hidrogénio existentes, o custo da produção de hidrogénio a partir do carvão é baixo, mas o nível de emissão de carbono é elevado.O custo do consumo de energia da produção de hidrogênio por eletrólise da água em grandes indústrias é alto.
Mesmo com baixa eletricidade, o custo de produção de hidrogênio é superior a 20 yuans/kg.O baixo custo e o baixo nível de emissão de carbono da produção de hidrogénio a partir do abandono da energia renovável é uma direção importante para a obtenção de hidrogénio no futuro.Atualmente, a tecnologia está gradualmente madura, mas o local de aquisição é relativamente remoto, o custo de transporte é muito alto e não há cenário de promoção e aplicação.Do ponto de vista da composição do custo do hidrogénio, 30 ~ 45% do preço do hidrogénio energético é o custo do transporte e enchimento do hidrogénio.A tecnologia existente de transporte de hidrogênio baseada em hidrogênio gasoso de alta pressão tem menos volume de transporte de veículo único, baixo valor econômico do transporte de longa distância e as tecnologias de armazenamento e transporte de estado sólido e hidrogênio líquido não estão maduras.A terceirização do gás hidrogênio em postos de abastecimento de hidrogênio ainda é o principal caminho.
Nas atuais especificações de gestão, o hidrogénio ainda está listado como gestão de produtos químicos perigosos.A produção industrial de hidrogénio em grande escala precisa de entrar no parque da indústria química.A produção de hidrogénio em grande escala não corresponde à procura de hidrogénio para veículos descentralizados, resultando em preços elevados do hidrogénio.Uma tecnologia de produção e reabastecimento de hidrogénio altamente integrada é urgentemente necessária para alcançar um avanço.O nível de preços da produção de hidrogênio do gás natural é razoável, o que pode realizar um fornecimento estável e em grande escala.Portanto, em áreas com gás natural relativamente abundante, a estação integrada de produção e reabastecimento de hidrogénio baseada em gás natural é uma opção viável de fornecimento de hidrogénio e um caminho realista para promover a estação de reabastecimento de hidrogénio para reduzir o custo e resolver o difícil problema de reabastecimento em alguns áreas.Atualmente, existem cerca de 237 estações integradas de produção de hidrogênio montadas em skids no mundo, representando cerca de 1/3 do número total de estações estrangeiras de reabastecimento de hidrogênio.Entre eles, Japão, Europa, América do Norte e outras regiões adotam amplamente o modo de operação de produção integrada de hidrogênio e estação de reabastecimento na estação.Em termos de situação interna, Foshan, Weifang, Datong, Zhangjiakou e outros locais começaram a explorar a construção e operação piloto de estações integradas de produção e reabastecimento de hidrogénio.Pode-se prever que após o avanço das políticas e regulamentos de gestão e produção de hidrogénio, a estação integrada de produção e reabastecimento de hidrogénio será a escolha realista para a operação comercial da estação de reabastecimento de hidrogénio.
Experiência em Inovação, Popularização e Aplicação da Tecnologia de Produção de Hidrogênio da Ally Hi-Tech
Como empresa líder no campo da produção de hidrogénio na China, a Ally Hi-Tech tem-se concentrado na investigação e desenvolvimento de novas soluções energéticas e tecnologias avançadas de produção de hidrogénio desde a sua criação há mais de 20 anos.Nos campos da tecnologia de produção de hidrogênio de gás natural em pequena escala, tecnologia de produção de hidrogênio de metanol de oxidação catalítica, tecnologia de produção de hidrogênio de eletrólise de água de alta temperatura, tecnologia de produção de hidrogênio de decomposição de amônia, tecnologia de amônia sintética em pequena escala, grande conversor de monômero de metanol, produção integrada de hidrogênio e sistema de hidrogenação, tecnologia de purificação direcional de hidrogênio de veículos, muitos avanços foram feitos em campos técnicos de ponta, como os listados acima.
Continuar a promover a inovação tecnológica na produção de hidrogénio.
A Ally Hi-Tech sempre considera a produção de hidrogênio como o núcleo de seu negócio e continua a realizar inovações tecnológicas na produção de hidrogênio, como conversão de metanol, reforma de gás natural e purificação direcional PSA de hidrogênio.Entre eles, um único conjunto de equipamentos de produção de hidrogênio por conversão de metanol, desenvolvido e projetado de forma independente pela empresa, tem capacidade de produção de hidrogênio de 20.000 Nm³/h.A pressão máxima chega a 3,3Mpa, atingindo o nível avançado internacional, com as vantagens de baixo consumo de energia, segurança e confiabilidade, processo simples, autônomo e assim por diante;A empresa fez um avanço na tecnologia de produção de hidrogênio por reforma do gás natural (método SMR).
É adotada a tecnologia de reforma por troca de calor e a capacidade de produção de hidrogênio de um único conjunto de equipamentos é de até 30.000Nm³/h.A pressão máxima pode chegar a 3,0MPa, o custo de investimento é bastante reduzido e o consumo de energia do gás natural é reduzido em 33%;Em termos de tecnologia de purificação direcional de hidrogênio por adsorção por oscilação de pressão (PSA), a empresa desenvolveu uma variedade de conjuntos completos de tecnologias de purificação de hidrogênio, e a capacidade de produção de hidrogênio de um único conjunto de equipamentos é de 100.000 Nm³/h.A pressão máxima é 5,0 MPa.Possui características de alto grau de automação, operação simples, bom ambiente e longa vida útil.Tem sido amplamente utilizado na área de separação de gases industriais.
Figura 1: Equipamento de produção H2 definido pela Ally Hi-Tech
Atenção dada ao desenvolvimento e promoção de produtos da série energética de hidrogênio.
Ao realizar a inovação da tecnologia de produção de hidrogênio e o desenvolvimento de produtos, a Ally Hi-Tech presta atenção à expansão do desenvolvimento de produtos no campo de células a combustível de hidrogênio downstream, promove ativamente a P&D e a aplicação de catalisadores, adsorventes, válvulas de controle, pequenos módulos modulares de hidrogênio equipamentos de produção e sistema de fornecimento de energia de célula de combustível de longa vida, e promove vigorosamente a tecnologia e equipamentos de produção integrada de hidrogênio e estação de hidrogenação.Em termos de promoção de produtos, a qualificação profissional do projeto de engenharia da Ally Hi-Tech é abrangente.Ela está comprometida em fornecer produtos e serviços de soluções completas de energia de hidrogênio, e a aplicação no mercado do produto é promovida rapidamente.
Avanços foram feitos na aplicação de equipamentos de produção de hidrogênio.
Atualmente, mais de 620 conjuntos de equipamentos de produção e purificação de hidrogênio foram construídos pela Ally Hi-Tech.Entre eles, a Ally Hi-Tech promoveu mais de 300 conjuntos de equipamentos de produção de metanol e hidrogênio, mais de 100 conjuntos de equipamentos de produção de hidrogênio a gás natural e mais de 130 conjuntos de equipamentos de grandes projetos PSA, e realizou uma série de projetos de produção de hidrogênio de temas nacionais.
Ally Hi-Tech cooperou com empresas famosas no país e no exterior, como Sinopec, PetroChina, Zhongtai Chemical, Plug Power Inc. America, Air Liquid France, Linde Germany, Praxair America, Iwatani Japan, BP e assim por diante.É um dos conjuntos completos de prestadores de serviços de equipamentos com maior oferta na área de equipamentos de produção de hidrogênio de pequeno e médio porte do mundo.Atualmente, o equipamento de produção de hidrogênio Ally Hi-Tech foi exportado para 16 países e regiões como Estados Unidos, Japão, Coreia do Sul, Índia, Malásia, Filipinas, Paquistão, Mianmar, Tailândia e África do Sul.Em 2019, o equipamento integrado de produção de hidrogênio a gás natural de terceira geração da Ally Hi-Tech foi exportado para a American Plug Power Inc., que foi projetado e fabricado em total conformidade com os padrões americanos, criando um precedente para o equipamento de produção de hidrogênio a gás natural da China para ser exportado para os Estados Unidos.
Figura 2. Equipamentos integrados de produção e hidrogenação de hidrogênio exportados pela Ally Hi-Tech para os Estados Unidos
Construção do primeiro lote de estação integrada de produção e hidrogenação de hidrogénio.
Tendo em conta os problemas práticos das fontes instáveis e dos elevados preços do hidrogénio para energia, a Ally High-Tech está empenhada em promover a aplicação de tecnologia de produção de hidrogénio altamente integrada e em utilizar o sistema maduro existente de fornecimento de metanol, rede de gasodutos de gás natural, GNV e Postos de abastecimento de GNL para reconstruir e expandir a estação integrada de produção e reabastecimento de hidrogénio.Em setembro de 2021, a primeira estação doméstica integrada de produção e hidrogenação de hidrogênio de gás natural sob o contrato geral da Ally Hi-Tech foi colocada em operação na estação de hidrogenação de gás Foshan Nanzhuang.
A estação foi projetada com um conjunto de unidades de produção de hidrogênio por reforma de gás natural de 1000kg/dia e um conjunto de unidades de produção de hidrogênio por eletrólise de água de 100kg/dia, com capacidade de hidrogenação externa de 1000kg/dia.É uma típica estação de hidrogenação integrada de "produção de hidrogênio + compressão + armazenamento + enchimento".Ela assume a liderança na aplicação de catalisador de ampla mudança de temperatura ecologicamente correto e tecnologia de copurificação direcional na indústria, o que melhora a eficiência da produção de hidrogênio em 3% e reduz efetivamente o consumo de energia da produção de hidrogênio.A estação possui alta integração, pequena área útil e equipamentos de produção de hidrogênio altamente integrados.
A produção de hidrogénio na estação reduz as ligações de transporte de hidrogénio e o custo de armazenamento e transporte de hidrogénio, o que reduz diretamente o custo do consumo de hidrogénio.A estação reservou uma interface externa, que pode encher reboques tubulares longos e servir como estação principal para fornecer fonte de hidrogênio para as estações de hidrogenação vizinhas, formando uma estação integrada secundária de hidrogenação regional.Além disso, esta estação integrada de produção e hidrogenação de hidrogénio também pode ser reconstruída e expandida com base no sistema de distribuição de metanol existente, rede de gasodutos de gás natural e outras instalações, bem como postos de gasolina e postos de abastecimento de GNV e GNL, que são fáceis de promover e implemento.
Figura 3 Estação integrada de produção e hidrogenação de hidrogênio em Nanzhuang, Foshan, Guangdong
Lidera ativamente a inovação, promoção e aplicação da indústria e intercâmbios e cooperação internacionais.
Como uma empresa-chave de alta tecnologia do Programa Nacional Torch, uma nova empresa de demonstração de economia na província de Sichuan e uma nova empresa especializada e especial na província de Sichuan, a Ally Hi-Tech lidera ativamente a inovação da indústria e promove intercâmbios e cooperação internacionais.Desde 2005, a Ally Hi-Tech forneceu sucessivamente tecnologia e equipamentos de produção de hidrogênio nos principais projetos nacionais de células de combustível 863 - estação de reabastecimento de hidrogênio Shanghai Anting, estação de reabastecimento de hidrogênio olímpica de Pequim e estação de reabastecimento de hidrogênio Shanghai World Expo, e forneceu todos os projetos de estações de produção de hidrogênio do centro de lançamento espacial da China com altos padrões.
Como membro do Comitê Nacional de Padronização de Energia de Hidrogênio, Ally Hi-Tech participou ativamente na construção de um sistema padrão de energia de hidrogênio no país e no exterior, liderou a elaboração de um padrão nacional de energia de hidrogênio e participou da formulação de sete padrões nacionais e um padrão internacional.Ao mesmo tempo, a Ally Hi-Tech promoveu ativamente intercâmbios e cooperação internacionais, estabeleceu a Chengchuan Technology Co., Ltd. no Japão, desenvolveu uma nova geração de tecnologia de produção de hidrogênio, tecnologia de cogeração SOFC e produtos relacionados, e realizou cooperação com empresas nos Estados Unidos, Alemanha e Japão nas áreas de nova tecnologia de produção de hidrogênio por eletrólise de água e tecnologia de amônia sintética em pequena escala.Com 45 patentes da China, dos Estados Unidos e da União Europeia, a Ally Hi-Tech é uma típica empresa baseada em tecnologia e orientada para a exportação.
Sugestão de política
De acordo com a análise acima, com base na inovação da tecnologia de produção de hidrogénio, a Ally Hi-Tech fez avanços no desenvolvimento de equipamentos de produção de hidrogénio, na promoção e aplicação de equipamentos de produção de hidrogénio, na construção e operação de produção integrada de hidrogénio e estação de reabastecimento , o que é de grande importância para a inovação tecnológica independente da China na energia do hidrogénio e para a redução do custo do consumo de hidrogénio energético.A fim de garantir e melhorar o fornecimento de energia de hidrogénio, acelerar a construção de uma rede de fornecimento de energia de hidrogénio segura, estável e eficiente e construir um sistema de produção de hidrogénio diversificado, limpo, de baixo carbono e de baixo custo, a China precisa fortalecer a inovação da tecnologia de produção de hidrogénio e desenvolvimento de produtos, romper as restrições de políticas e regulamentos e incentivar novos equipamentos e modelos com potencial de mercado para serem experimentados primeiro.Ao melhorar ainda mais as políticas de apoio e otimizar o ambiente industrial, ajudaremos a indústria chinesa de energia a hidrogénio a desenvolver-se com alta qualidade e apoiaremos fortemente a transformação verde da energia.
Melhorar o sistema político da indústria energética do hidrogénio.
Actualmente, foram emitidos o "posicionamento estratégico e políticas de apoio da indústria energética do hidrogénio", mas a direcção específica de desenvolvimento da indústria energética do hidrogénio não foi especificada.A fim de quebrar os obstáculos institucionais e os gargalos políticos do desenvolvimento industrial, a China precisa fortalecer a inovação política, formular normas perfeitas de gestão de energia de hidrogênio, esclarecer os processos de gestão e instituições de gestão de preparação, armazenamento, transporte e enchimento, e implementar as responsabilidades do departamento responsável pela supervisão de segurança.Aderir ao modelo de aplicação de demonstração que impulsiona o desenvolvimento industrial e promover de forma abrangente o desenvolvimento diversificado de demonstração da energia do hidrogénio nos transportes, armazenamento de energia, energia distribuída e assim por diante.
Construir um sistema de fornecimento de energia a hidrogénio de acordo com as condições locais.
Os governos locais devem considerar de forma abrangente a capacidade de fornecimento de energia de hidrogénio, a base industrial e o espaço de mercado na região, com base nas vantagens dos recursos existentes e potenciais, selecionar métodos de produção de hidrogénio apropriados de acordo com as condições locais, realizar a construção de capacidade de garantia de fornecimento de energia de hidrogénio , dar prioridade à utilização de hidrogénio como subproduto industrial e centrar-se no desenvolvimento da produção de hidrogénio a partir de energias renováveis.Incentivar as regiões qualificadas a cooperar através de múltiplos canais para construir um sistema local de fornecimento de energia de hidrogénio de baixo carbono, seguro, estável e económico para satisfazer a procura de abastecimento de fontes de hidrogénio em grande escala.
Aumentar a inovação tecnológica dos equipamentos de produção de hidrogénio.
Concentre-se na promoção de P&D, fabricação e aplicação industrial de equipamentos essenciais para purificação e produção de hidrogênio, e construa um sistema de desenvolvimento de tecnologia de alta qualidade para produtos de equipamentos de energia de hidrogênio, contando com empresas vantajosas na cadeia industrial.Apoiar empresas líderes no campo da produção de hidrogénio para assumir a liderança, estabelecer plataformas de inovação, como centro de inovação industrial, centro de investigação em engenharia, centro de inovação tecnológica e centro de inovação industrial, resolver problemas-chave de equipamentos de produção de hidrogénio, apoiar "novos especializados e especiais "As pequenas e médias empresas devem participar na investigação e desenvolvimento de tecnologias comuns de equipamentos de produção de hidrogénio e cultivar uma série de empresas campeãs únicas com forte capacidade independente de tecnologia central.
Reforçar o apoio político à produção integrada de hidrogénio e às estações de hidrogenação.
O Plano salienta que para explorar novos modelos, como estações de hidrogénio que integram a produção, o armazenamento e a hidrogenação de hidrogénio na estação, precisamos de romper desde a raiz as restrições políticas à construção de estações integradas.Introduzir a lei energética nacional o mais rapidamente possível para determinar o atributo energético do hidrogénio a partir do nível superior.Romper as restrições à construção de estações integradas, promover estações integradas de produção e hidrogenação de hidrogénio e realizar demonstrações piloto da construção e operação de estações integradas em áreas economicamente desenvolvidas com ricos recursos de gás natural.Fornecer subsídios financeiros para a construção e operação de estações integradas que atendam aos requisitos de economia de preços e padrões de emissão de carbono, apoiar empresas líderes relevantes a se candidatarem a empresas nacionais "novas especializadas e especiais" e melhorar as especificações técnicas e padrões de segurança do hidrogênio integrado estações de produção e hidrogenação.
Realizar ativamente demonstração e promoção de novos modelos de negócios.
Incentivar a inovação do modelo de negócio sob a forma de produção integrada de hidrogénio em estações, estações abrangentes de fornecimento de energia para petróleo, hidrogénio e eletricidade, e operação coordenada de "hidrogénio, veículos e estações".Em áreas com um grande número de veículos a células de combustível e com elevada pressão no fornecimento de hidrogénio, exploraremos estações integradas para produção de hidrogénio e hidrogenação a partir de gás natural e encorajaremos áreas com preços razoáveis de gás natural e operação de demonstração de veículos a células de combustível.Em áreas com recursos abundantes de energia eólica e hidrelétrica e cenários de aplicação de energia de hidrogênio, construir estações integradas de produção e hidrogenação de hidrogênio com energia renovável, expandir gradualmente a escala de demonstração, formar experiência replicável e popularizada e acelerar a redução de carbono e custos do hidrogênio energético.
(Autor: equipe de pesquisa da futura indústria do Centro de Consultoria de Informações Yiwei Zhiyuan de Pequim)
Horário da postagem: 29 de setembro de 2022
